Конструкция и принцип работы дугогасительного устройства

3.1 Конструкция и принцип работы дугогасительного устройства

Рассмотрим дугогасительное устройство генераторного газонаполненного выключателя.

На рис. 3.1. изображено дугогасительное устройство высоковольтного газонаполненного автокомпрессионного выключателя. Дугогасительное устройство содержит главные неподвижный 1 и подвижный 2 контакты, подвижной дугогасительный контакт 3, неподвижный поршень 4, неподвижный дугогасительный контакт 5, изоляционное сопло 6, Г - образную цилиндрическую изоляционную втулку 7, внутренняя поверхность которой образует с внешней цилиндрической поверхностью подвижного дугогасительного контакта 3 камеру автодутья, при этом втулка 7 ограничивает внутренней оконечностью с диаметром d полость автогенерации в пространстве вверх по потоку, а внешней поверхностью камеру автогенерации, образованную в теле изоляционного сопла, и соединенную с надпоршневым объемом камеры сжатия каналом 8, образованным внутренней цилиндрической поверхностью изоляционного сопла и внешней цилиндрической поверхностью Г-образной цилиндрической изоляционной втулки. Камера сжатия находится между подвижной системой выключателя, включающей в себя изоляционное сопло 6, главный подвижной контакт 2, жестко связанный с подвижным дугогасительным контактом 3 и штоком привода, и неподвижным поршнем 4.

Рис. 3.1. Дугогасительное устройство элегазового генераторного выключателя

Дугогасительное устройство генераторного газонаполненного выключателя работает следующим образом:

Отключение:

При подаче команды на отключение перемещается подвижная система выключателя с главным подвижным контактом 2, подвижным дугогасительным контактом 3 и изоляционным соплом 6 справа на лево. Сначала размыкаются главные контакты 1,2, затем ток перебрасывается в зону контактирования дугогасительных контактов неподвижного 5 и подвижного 3. По мере движения подвижной системы выключателя относительно неподвижного поршня 4 происходит сжатие элегаза в камере сжатия. После размыкания дугогасительных контактов 3 и 5 электрическая дуга горит в полости автогенерации между дугогасительными контактами 3 и 5 во внутренней поверхности изоляционного сопла 6. В полости автогенерации за счет энергии излучения, воздействующей на внутреннюю поверхность изоляционного сопла 6 и внутреннюю поверхность как оконечности Г - образной цилиндрической изоляционной втулки 7, так и внутреннюю изоляционную поверхность камеры автодутья, а также на внутреннюю поверхность камеры автогенерации, возникает значительный эффект автогенерации, связанный с абляцией изоляционных стенок и возникновением массового расхода паровой фазы, что приводит к повышению давления в межконтактном промежутке и расходному эффекту ограничивающего доступ дугогасящей среды в межконтактный промежуток в максимуме отключаемого тока. В момент перехода тока через нуль обеспечивается восстановление потока газа из камеры сжатия через канал 8, и далее через сопло подвижного дугогасительного контакта 3 и изоляционное сопло 6 в общий объем выключателя с повышенным массовым расходом дугогасящей среды, что повышает эффективность дугогашения.

Включение:

При включении выключателя вначале имеется контактирование подвижного дугогасительного контакта 3 с дугогасительным контактом 5, а затем главных контактов 1,2.

Характерной особенностью автокомпрессионных элегазовых выключателей является взаимная связь механических и термогазодинамических дуговых процессов при выполнении операции отключения. Для повышения отключающей способности и уменьшения времени срабатывания при отключении, а также уменьшения габаритов дугогасительного устройства необходимо определить влияние параметров выключателя на его динамические характеристики.

При проектировании автокомпрессионного элегазового генераторного выключателя задачу оптимизации можно представить как поиск параметров элегазового выключателя, обеспечивающих малое время отключения при заданном токе отключения, скорости восстановления напряжения на контактах.

3.2 Математическая модель и расчет параметров выключателя

Для оценки эффективности сформулируем критерий оптимизации:

 – исходное давление;

 – температура элегаза;

 – эффективная площадь поршня;

 – площадь сечения горловины сопла;

 – площадь сопла подвижного контакта;

 – масса подвижной системы;

 – активное усилие привода;

 – длина камеры сжатия;

 – ход в контактах;

Рис. 3.2. Схема математической модели

Баланс энергий в системе (см. рис. 3.2) выглядит следующим образом:

 (3.1)

где:  (5.2) -энергия дуги; -внутренняя энергия газа;  - эмпрический коэффициент.

Внутреннюю энергию газа можно расписать через температуру и теплоемкость газа при постоянном объеме

;

;

Также используются уравнения состояния рабочей среды, расхода газа через сопло, а также уравнения движения подвижной системы ЭВ. Эти уравнения имеют вид [1, стр. 77,3.6]

;

;

, при ;

, при ;

где  - газовая постоянная; - объем камеры сжатия,  - мacсoвый расход элегаза через суммарную эффективную площадь сечения сопла, кГ/с;  - коэффициент адиабаты.

Подставим в (3.6.) уравнение (3.2.), а также  после преобразований получим:

 (3.8)

С учетом соотношений

 (3.9)

 (3.10)

Получим

 (3.11)

В уравнении (3.7) раскроем дифференциал , и  после преобразований получим:

 (3.12)

Используя соотношение  (3.13) получим

 (3.14)

C учетом где  – напряженность поля в элегазе,  – ход замкнутых контактов

Окончательно система примет вид

, при ;

, при ;

Распределения  и  на рис. 3.3. и 3.4. соответственно

Рис. 3.3. Распределение  Рис. 3.4. Распределение

Далее математическая модель преобразуется к безразмерному виду путем выражения через базисные величины.

, ,

, , , где ,

, , ,

На первом этапе проектирования расчёт дугогасительного устройства будем рассматривать относительно следующих обобщенных параметров [2]:

; .

Рассчитаем характеристики элегазового выключателя при следующих исходных данных:

0,7МПа;

 = 100 кг;

 =7 м/с;

 = 0,2 м;

 = 0,6 м;

= 293 ˚К;

 = 63 кА.

Максимальный отключаемый ток – амплитуда номинального тока отключения, равный:

 кА.

Для элегазового выключателя относительные оптимальные расстояния между расстоянием вверх по потоку z₀ (расстояние между горловинами металлического и изоляционного сопла) и диаметром сопла d определяются соотношением:

Исходя из того, что обычно z₀ лежит в пределах 1,5-2,0 см принимаем

м.

Тогда диаметр дуги вычисляется по формуле:

,

где  – эмпирический коэффициент (для элегазовых ДУ при температуре дуги =20000 К, =0,4 – 0,8 Мпа расчетное значение =0,0057).

м

В связи с экономической выгодой необходимо обеспечить повышение давления в камере при неизменных параметрах выключателя. Этого можно достичь уменьшением размера сопла, т.е. за счет эффекта автогенерации. Таким образом, диаметр металлического сопла выбирается равным 1,1:

 мм.

Тогда диаметр изоляционного сопла:

мм.

Сечение сопел:

 .

.

Суммарное сечение сопел (эффективное):

 .

Находим обобщённые параметры для номинального режима.

Выбираем =1,8. Так как , то из формулы находим объём камеры сжатия:

.

Зная объем, можем найти площадь поршня

,

и диаметр поршня

м.

Тогда

По зависимостям и  [2] находим

=0,82 =1,2

Зная обобщенные параметры можно вычислить среднее давление в камере сжатия, время срабатывания и время движения подвижной системы на контрольном участке хода:

 ;  ;  .

Вычисляем среднее значение давления в камере сжатия

 МПа,

и время движения подвижной системы на контрольном участке хода

с;  с.

Площадь сечения сопла при частичной блокировке электрической дугой

.

В этом случае обобщенный параметр

По зависимостям и  [2] находим

=0,88 =2,5

Таким образом, получаем:

 МПа,

с;  с.

Для приближенных расчетов предельной отключающей способности ДУ при dU/dt>1,5 кВ/мкс можно использовать формулу [6]:

,

где ,  – эмпирические коэффициенты; =25-40, =0,8-1,8;

 для 0,5

 для 0,90,5

где  – изменение давления в камере ДУ.

Так как = 0,59, то 0,172 МПа

Таким образом, предельная отключающая способность данного выключателя:

кВ/мкс

Для определения предельной отключающей способности следует провести корректировку давления в камере по результатам эксперимента.

Для уточнения параметров конструкции были произведены численные расчеты, результаты которых представлены на рис. 3.5., рис. 3.6.

Рис. 3.5. Результаты численного расчета пневмомеханических характеристик: 1 - ход контактов, 2 - изменение скорости, 3 - изменение давления, 4 – температура, 5 – активное сечение сопел

Рис. 3.6. Результаты численного расчета пневмомеханических характеристик (закупорка сопла 63кА): 1 - ход контактов, 2 - изменение скорости, 3 - изменение давления, 4 – температура, 5 – активное сечение сопел

Анализ диаграмм выявил большое влияние энергии дуги на процесс отключения. При отключении номинального тока (12кА) средняя скорость на контрольном участке (12 мс) 11,1 м/с, среднее давление 2,08 МПа. Однако при 63 кА происходит закупорка сопла средняя скорость падает и составляет 6,4 м/с, за счет энергии дуги среднее давление растет, на первом участке (12мс) составляет 4,2Мпа, на втором (9мс) 1,46 МПа, а скорость 2,56 м/с. В численных расчетах были использованы зависимости Rг и Кг от температуры, а также введен коэффициент сжимаемости. Это позволило повысить точность расчетов т.к. после 1400К эти коэффициенты уже не постоянны. На примере рис. 3.6. видно что температура в ДУ достигает 23390К, поэтому было необходимо ввести поправки этих коэффициентов от температуры. Полные времена хода поршня составили 23мс и 33мс соответственно при токах 12кА и 63кА. Это говорит об осложнении процесса гашения при предельных токах.

Таким образом, предельная отключающая способность данного выключателя после численных расчетов на ЭВМ:

кВ/мкс

Графики численных расчетов, исходные данные и текст программы представлены в Приложении 1.

Выводы

Задачей данной главы являлось определение динамических характеристик ДУ проектируемого выключателя. В рамках этого была произведена разработка пневмомеханической модели ДУ, то есть была разработана система нелинейных дифференциальных уравнений. Решение данной системы предполагает использование численных методов. По данной системе производился расчет обобщенных динамических характеристик проектируемого элегазового генераторного выключателя. Численный расчет с помощью программы на языке FORTRAN. Отключающая способность при численных расчетах оказалась выше чем в предварительных и составила 0,2 кВ/мкс. Рассчитанные параметры дугогасительного устройства: диаметр поршня =0,16 м, время срабатывания =23-25 мс. Для улучшения дугогашения использовался эффект генерации газа фторопластом при воздействии на него высокой температуры электрической дуги.

Глава 4. Расчёт и оптимизация приводного устройства элегазового генераторного выключателя

В соответствии с расчетом дугогасительного устройства, приведенного в гл.3 для обеспечения времени срабатывания, хода контактов при отключении необходимо разработать мощный гидропривод.

В качестве базовой конструкции примем конструкцию гидравлического приводного устройства с торможением «по пути».

Гидравлические привода элегазовых выключателей предназначены для быстрого включения и отключения контактов высоковольтных выключателей.

Привода должны обладать относительно высокой мощностью, так как им необходимо как совершать работу по переводу контактов выключателя из одного положения в другое,обеспечивая при этом скорость их перемещения при отключении, так и производить при отключении работу по сжатию элегаза в цилиндрах дугогасительных устройств с целью создания потока элегаза, направленного в зону горения электрической дуги.

Такому требованию в полной мере удовлетворяют гидравлические приводные устройства, имеющие малые занимаемые объемы, малую массу, гибкое регулирование динамических характеристик.

Известны гидромеханические приводы, в которых в качестве носителя запасенной энергии для создания высокого давления рабочей жидкости используются следующие аккумуляторы запасенной энергии:

-пневмогидроаккумуляторы высокого давления;

-пневмогидроаккумуляторы низкого давления;

-аккумулятор энергии, запасаемой в пакете сжатых пружин.
 Пневмогидроаккумулятор высокого давления состоит из стального цилиндра, двух крышек и поршня с уплотнениями. Поршень разделяет цилиндр на две полости - газовую и жидкостную. Газовую полость заполняют сжатым азотом, а жидкостную соединяют с гидравлической системой. Давление сжатого азота соответствует давлению рабочей жидкости в гидроцилиндре привода.

Пневмогидроаккумулятор низкого давления представляет собой сильфон, герметично закрытый с торцов крышками, заполненный сжатым газом, давление которого значительно ниже давления рабочей жидкости в гидроцилиндре.

Привод, в котором в качестве системы накопления энергии, или аккумулятора, используется сжимаемый пакет тарельчатых пружин, действует следующим образом: накопленная энергия сжатого пакета тарельчатых пружин передается в гидравлическую систему рабочей жидкости в гидроцилиндр привода.

Гидропривод работает на использовании энергии сжатого газа (азота), находящегося в двух энергоблоках.

Рассмотрим схему ГУ, представленную на рис. 4.1. в исходном положении пневмогидроаккумулятор 1 постоянно связан с полостями ,  гидроцилиндра, и давление МПа.

При подачи сигнала на электромагнит ЭМ гидроклапана 2а полости  и  соединяются через сливную гидроцепь в – с с баком 4, и происходит отвод жидкости из-под поршня ГУ.

Одновременно жидкость из пневмогидроаккумулятора поступает в объем А по напорной гидроцепи а – б. Под действием усилия  поршень движется вниз. Поршень ГУ имеет тормозную втулку, и, по мере перемещения поршня, втулка перекрывает сечение , что вызывает увеличение местного гидравлического сопротивления . Давление в объеме  растет и в конце пути скорость поршня уменьшается до допустимой величины. Возврат поршня в первоначальное положение происходит после срабатывания электромагнита ЭМ и соединения объемов  и  с пневмогидроаккумулятором через клапан 2б. Рост давления в объеме  вызывает движение поршня 3 вверх.

Рис. 4.1. Схема гидравлического устройства

Обычно объем пневмогидроаккумулятора достаточно велик, чтобы обеспечить стабильность  для выполнения операций. Подзарядку пневмогидроаккумулятора обеспечивает маломощная насосная станция.